再探Java内存分配

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• 本文原创作者：谷哥的小弟
• 作者博客地址：http://blog.csdn.net/lfdfhl

引子

这两天有个同事抓耳挠腮地纠结：Java到底是值传递还是引用传递。百思不得其姐，他将这个问题抛给大家一起讨论。于是，有的人说传值，有的人说传引用；不管哪方都觉得自己的理解是正确无误的。我觉得：要回答这个问题不妨先搁置这个问题，先往这个问题的上游走走——Java内存分配。一提到内存分配，我想不少人的脑海里都会浮现一句话：引用放在栈里，对象放在堆里，栈指向堆。嗯哼，这句话听上去没有错；但是我们继续追问一下：这个栈是什么栈？是龙门客栈么？非也！它其实是Java虚拟机栈。呃，到了此处，好学的童鞋忍不住要追问了：啥是Java虚拟机栈呢？不急，我们一起来瞅瞅。

JVM的生命周期

我们知道：每个Java程序都运行于在Java虚拟机上；也就是说：一个运行时的Java虚拟机负责运行一个Java程序。当启动一个Java程序时，一个虚拟机实例也就随之诞生了；当该程序执行完毕后这个虚拟机实例也就随之消亡。例如：在一台计算机上同时运行五个Java程序，那么系统将提供五个Java虚拟机实例；每个Java程序独自运行于它自己所对应的Java虚拟机实例中。

Java虚拟机中有两种线程，即：守护线程与非守护线程。守护线程通常由虚拟机自身使用，比如执行垃圾收集的线程。非守护线程，通常指的是我们自己的线程。当程序中所有的非守护线程都终止时，虚拟机实例将自动退出。

JVM运行时数据区

既然Java虚拟机负责执行Java程序，那我们就先来看看Java虚拟机体系结构，请参见下图：

在这里可以看到：class文件由类加载器载入JVM中运行。此处，我们重点关注蓝色线框中JVM的Runtime Data Areas(运行时数据区)，它表示JVM在运行期间对内存空间的划分和分配。在该数据区内分为以下几个主要区域：Method Area(方法区)，Heap(堆)，Java Stacks(Java 栈)，Program Counter Register(程序计数器)，Native Method Stack(本地方法栈)，现对各区域的主要作用及其特点作如下详细介绍。

Method Area(方法区)

Method Area(方法区)是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、编译器编译后的代码等数据。根据Java 虚拟机规范的规定，当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError(OOM)异常。为进一步了解Method Area(方法区)，我们来看在该区域内包含了哪些具体组成部分。

(1) 运行时常量池

Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述等与类紧密相关的信息之外，还有一个常量池用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用；该常量池将在类加载后被存放到方法区的运行时常量池中。换句话说：在运行时常量池中存放了该类使用的常量的一个有序集合，它在java程序的动态连接中起着非常重要的作用。在该集合中包括直接常量(string，integer和，floating point等)和对其他类型、字段和方法的符号引用。外界可通过索引访问运行时常量池中的数据项，这一点和访问数组非常类似。当然，运行时常量池是方法区的一部分，它也会受到方法区内存的限制，当运行时常量池无法再申请到内存时也会抛出OutOfMemoryError(OOM)异常。

(2) 类型信息

在该部分中包括：

• 类型的完全限定名
• 类型的直接超类的全限定名
• 类型是类类型还是接口类型
• 类型的访问修饰符(public、abstract、final等)
• 直接超接口的全限定名的有序列表

(3) 字段信息

字段信息用于描述该类中声明的所有字段(局部变量除外)，它包含以下具体信息：

• 字段名
• 字段类型
• 字段的修饰符
• 字段的顺序

(4) 方法信息

方法信息用于描述该类中声明的所有方法，它包含以下具体信息：

• 方法名
• 方法的返回类型
• 方法输入参数的个数，类型，顺序
• 方法的修饰符
• 操作数栈
• 在帧栈中的局部变量区的大小

(5) 类变量

该部分用于存放类中static修饰的变量。

(6) 指向类加载器的引用

类由类加载器加载，JVM会在方法区保留指向该类加载器的引用。

(7) 指向Class实例的引用

在类被加载器加载的过程中，虚拟机会创建一个代表该类的Class对象，与此同时JVM会在方法区保留指向该Class的引用。

Program Counter Register(程序计数器)

Program Counter Register(程序计数器)在Runtime Data Areas(运行时数据区)只占据非常小的内存空间，它用于存储下一条即将执行的字节码指令的地址。

Java Stacks(Java 栈)

Java Stacks(Java 栈)亦称为虚拟机栈(VM Stack)，也就是我们通常说的栈。它用于描述的Java 方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。Java Stacks(Java 栈)的生命周期与线程相同；当一个线程执行完毕那么该栈亦被清空。

Native Method Stack(本地方法栈)

Native Method Stack(本地方法栈)与Java Stacks(Java 栈)非常类似，它用于存储调用本地方法(C/C++)所涉及到的局部变量表、操作栈等信息。

Heap(堆)

Heap(堆)在虚拟机启动时创建，用于存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。所以，Heap(堆)是Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块，也是垃圾回收器管理的重点区域。

小结

在此对JVM运行时数据区做一个小结：

• Method Area(方法区)和Heap(堆)是被所有线程共享的内存区域。
• Java Stacks(Java 栈)和Program Counter Register(程序计数器)以及Native Method Stack(本地方法栈)是各线程私有的内存区域。
• 创建一个对象，该对象的引用存放于Java Stacks(Java 栈)中，真正的对象实例存放于Heap(堆)中。这也是大家常说的：栈指向堆。
• 除了刚才提到的JVM运行时数据区所涉及到的内存以外，我们还需要关注直接内存(Direct Memory)。请注意：直接内存(Direct Memory)并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域，但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError(OOM)异常出现。比如，在使用NIO时它可以使用Native 函数库直接分配堆外内存，然后通过存储在Java 堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。类似的操作，可避免了在Java 堆和Native 堆中来回复制数据，从而提高性能。

Java调用方法时的参数传递机制

在调用Java方法传递参数的时候，到底是传值还是传引用呢？面对众多的争论，我们还是来瞅瞅代码，毕竟代码不会说谎。我们先来看一个非常简单的例子：交换两个int类型的数据，代码如下：

package cn.com;
/**
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 */
public class TestMemory {

    public static void main(String[] args) {
        TestMemory testMemory=new TestMemory();
        int number1=9527;
        int number2=1314;
        System.out.println("main方法中，数据交换前：number1="+number1+" , number2="+number2);
        testMemory.swapData(number1, number2);
        System.out.println("main方法中，数据交换后：number1="+number1+" , number2="+number2);
    }

    private void swapData(int a,int b) {
        System.out.println("swapData方法中，数据交换前：a="+a+" , b="+b);
        int temp=a;
        a=b;
        b=temp;
        System.out.println("swapData方法中，数据交换后：a="+a+" , b="+b);
    }

}

我们在main方法中声明的两个变量number1=9527 , number2=1314；然后将这两个数作为参数传递给了方法swapData(int a,int b)，并在该方法内交换数据。至于代码本身无需再过多的解释了；不过，请思考输出的结果是什么？在您考虑之后，请参见如下打印信息：

main方法中，数据交换前：number1=9527 , number2=1314
swapData方法中，数据交换前：a=9527 , b=1314
swapData方法中，数据交换后：a=1314 , b=9527
main方法中，数据交换后：number1=9527 , number2=1314

嗯哼，这和你想的一样么？为什么会是这样呢？还记得刚才讨论Java Stacks(Java 栈)时说的么：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。结合示例的代码：main( )方法在一个栈帧中，swapData( )在另外一个栈帧中；两者彼此独立互不干扰。在main( )中调用swapData( )传入参数时它的本质是：将实际参数值的副本(复制品)传入其它方法内而参数本身不会受到任何影响。也就是说，这number1和number2这两个变量仍然存在于main( )方法所对应的栈帧中，但number1和number2这两个变量的副本(即int a和int b)存在于swapData( )方法所对应的栈帧中。故，在swapData( )中交换数据，对于main( )是没有任何影响的。这就是Java中调用方法时的传值机制——值传递。

嗯哼，刚才这个例子是关于基本类型的参数传递。Java对于引用类型的参数传递一样采用了值传递的方式。我们在刚才的示例中稍加改造。首先，我们创建一个类，该类有两个变量number1和number2，请看代码：

package cn.com;
/**
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 */
public class DataObject {

    private int number1;
    private int number2;

    public int getNumber1() {
        return number1;
    }
    public void setNumber1(int number1) {
        this.number1 = number1;
    }
    public int getNumber2() {
        return number2;
    }
    public void setNumber2(int number2) {
        this.number2 = number2;
    }

}

好了，现在我们来测试交换DataObject类对象中的两个数据：

package cn.com;
/**
 * 原创作者：谷哥的小弟
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 */
public class TestMemory {

    public static void main(String[] args) {
        TestMemory testMemory=new TestMemory();
        DataObject dataObject=new DataObject();
        dataObject.setNumber1(9527);
        dataObject.setNumber2(1314);
        System.out.println("main方法中，数据交换前：number1="+dataObject.getNumber1()+" , number2="+dataObject.getNumber2());
        testMemory.swapData(dataObject);
        System.out.println("main方法中，数据交换后：number1="+dataObject.getNumber1()+" , number2="+dataObject.getNumber2());
    }

    private void swapData(DataObject dataObject) {
        System.out.println("swapData方法中,数据交换前：number1="+dataObject.getNumber1()+" , number2="+dataObject.getNumber2());
        int temp=dataObject.getNumber1();
        dataObject.setNumber1(dataObject.getNumber2());
        dataObject.setNumber2(temp);
        System.out.println("swapData方法中,数据交换后：number1="+dataObject.getNumber1()+" , number2="+dataObject.getNumber2());

    }

}

简单地描述一下代码：在main( )中定义一个DataObject类的对象并为其number1和number2赋值；然后调用swapData(DataObject dataObject)方法，在该方法中交换数据。请思考输出的结果是什么？在您考虑之后，请参见如下打印信息：

main方法中，数据交换前：number1=9527 , number2=1314
swapData方法中,数据交换前：number1=9527 , number2=1314
swapData方法中,数据交换后：number1=1314 , number2=9527
main方法中，数据交换后：number1=1314 , number2=9527

嗯哼，为什么是这样呢？我们通过DataObject dataObject=new DataObject();创建一个对象；该对象的引用dataObject存放于栈中，而该对象的真正的实例存放于堆中。在main( )中调用swapData( )方法传入dataObject作为参数时仍然传递的是值，只不过稍微特殊点的是：该值指向了堆中的实例对象。好了，再结合栈帧来梳理一遍：main( )方法存在于与之对应的栈帧中，在该栈帧中有一个变量dataObject它指向了堆内存中的真正的实例对象。swapData( )收到main( )传递过来的变量dataObject时将其存放于其本身对应的栈帧中，但是该变量依然指向堆内存中的真正的实例对象。也就是说：main( )方法中的dataObject和swapData( )方法中的dataObject指向了堆中的同一个实例对象！所以，在swapData( )中交换了数据之后，在main( )会体现交换后的变化。在此，我们可以进一步的验证：在该swapData( )方法的最后一行添加一句代码dataObject=null ；我们发现打印信息并没有任何变化。因为这句代码仅仅使得swapData( )所对应的栈帧中的dataObject不再指向堆内存中的实例对象但不会影响main( )所对应的栈帧中的dataObject依然指向堆内存中的实例对象。

通过这两个示例，我们进一步验证了：Java中调用方法时的传递机制——值传递。当然，有的人说：基础类型传值，对象类型传引用。其实，这也没有什么错，只不过是表述方式不同罢了；只要明白其中的道理就行。如果，有些童鞋非纠缠着个别字眼不放，那我只好说：PHP是世界上最好的语言。

参考资料

• Java Virtual Machine Technology
• HotSpot
• 深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践
• 实战Java虚拟机：JVM故障诊断与性能优化
• 架构设计方法、技巧与实践
• Java虚拟机原理图解